ADS8689 數據手冊

1. 產品概述

ADS8689 是德州儀器（TI）推出的一款高性能、低功耗的16 位多通道逐次逼近型模數轉換器（SAR ADC），集成了高精度電壓參考、多路輸入復用器及高速采樣保持電路。器件通過先進的工藝制程和優(yōu)化的電路布局，實現了在寬溫度范圍內穩(wěn)定運行，同時兼顧了精準度和動態(tài)性能，使其在工業(yè)自動化、數據采集、傳感器讀出、通信基站、測試測量設備等應用中表現出色。ADS8689 支持多達八路差分或單端輸入，可通過內部復用器快速切換通道，無需外部多路開關，大幅簡化系統(tǒng)設計。器件最大采樣速率可達 200 kSPS，內部提供可編程采樣模式，適配單次轉換與連續(xù)掃描需求；同時，內置精密的 2.5 V 基準電源，溫度系數低于 2 ppm/°C，典型初始準確度達 ±0.1%，可確保測量結果在長期運行中的一致性。通過 SPI 總線與主控器件通信，兼容多種時鐘相位和極性設置，接口靈活易用。ADS8689 還具備自動校準功能，能夠在上電或特定轉換次數后自動校正內部失配，進一步減少整體系統(tǒng)誤差。憑借出色的性價比和穩(wěn)定可靠的性能，該器件已廣泛應用于高精度數據采集、過程控制和智能監(jiān)測等場景。

2. 主要特性

• 高分辨率與高線性度

ADS8689 提供 16 位分辨率，使用逐次逼近寄存器架構，大幅降低了轉換時間與功耗，并在滿量程范圍內實現優(yōu)異的直線度。典型無失調誤差（INL）與無游移誤差（DNL）均小于 ±1 LSB，可滿足各類高精度測量需求。

• 多通道輸入與快速復用

器件內置八路差分或單端輸入通道，通過片內多路復用器實現通道切換，無需外部多路復用器，減少電路板面積和系統(tǒng)成本。通道復用開關延遲極短，保證了快速掃描時的穩(wěn)定性和準確度。

• 高采樣速率與靈活模式

支持 最高 200 kSPS 的采樣速率，適用于高速數據采集場景。用戶可根據應用需求，通過寄存器配置實現單次轉換模式或連續(xù)掃描模式，并可選擇不同采樣時鐘分頻，以平衡帶寬與功耗。

• SPI 接口與靈活通信

兼容標準四線 SPI 通信協(xié)議，最高時鐘頻率可達 50 MHz。支持多種時鐘相位（CPHA）和極性（CPOL）設置，并提供片選（CS）管腳，可與多種主控器件（MCU、DSP、FPGA）無縫集成。

• 內置高精度基準電源

集成 2.5 V 精密參考電源，典型精度 ±0.1%，溫漂不超過 2 ppm/°C，有效降低外部參考源誤差對系統(tǒng)性能的影響。用戶可通過使能腳選擇使用內部或外部參考。

• 低功耗設計與自動校準

在 200 kSPS 高速模式下，功耗典型為 7.5 mW；在低速模式下，功耗進一步下降，適合電池供電和便攜式測量系統(tǒng)。器件上電或轉換次數達到設定值后，可自動進行內部失配校準，確保長期運行下的測量一致性。

3. 引腳配置與功能說明

• VDD

數字電源輸入引腳，輸入電壓范圍為 2.7 V 至 5.5 V。該引腳為內部數字邏輯、寄存器和 SPI 接口提供電源，建議在 VDD 引腳與地之間并聯適當大小的高頻和低頻電容，以確保電源穩(wěn)定性和抑制噪聲。

• VREF

基準電壓輸入/輸出引腳。器件內部參考使能時，VREF 輸出精密 2.5 V 電壓；如需外部參考，可通過設置寄存器模式將 VREF 配置為參考輸入端，兼容范圍 2.0 V 至 3.6 V，以滿足不同系統(tǒng)對參考電壓的需求。

• AIN0~AIN7

模擬輸入通道引腳，共八個。支持差分輸入（AINx 與 AIN(x+4) 配對）與單端輸入模式，可通過配置寄存器選擇輸入類型。輸入結構采用采樣保持電路，可自動對輸入信號進行采樣并在轉換期間內部隔離，以降低輸入信號源阻抗帶來的精度誤差。

• SCLK/MCLK

串行時鐘輸入引腳，為 SPI 通信提供時序基準。用戶可根據系統(tǒng)時鐘性能需求，將 SCLK 設置在 0 至 50 MHz 范圍內，SPI 時鐘極性和相位參數可編程，以適配不同主控設備的時序要求。

• SDI

串行數據輸入引腳。主控設備在轉換周期開始前，通過 SDI 向 ADS8689 寫入控制字和寄存器地址，用于配置通道選擇、轉換模式和參考源等參數。

• SDO

串行數據輸出引腳。在每次轉換完成后，ADC 將 16 位轉換結果通過 SDO 以 MSB 先行的方式輸出，主控器件可根據時鐘和片選信號時序讀取完整數據。

• CS

片選控制引腳，低電平有效。當 CS 引腳為低電平時，器件進入激活狀態(tài)并準備接收/輸出數據；在高電平時，內部數字電路進入待機狀態(tài)，以進一步降低功耗并防止總線沖突。

4. 功能框圖

ADS8689 的內部功能框圖清晰展示了器件各模塊之間的信號流動與邏輯關系。首先，外部模擬信號通過多路復用器進入采樣保持電路，保持電路由高帶寬采樣開關與儲能電容組成，能夠快速對輸入信號進行采樣并鎖存電壓值。鎖存后的信號首先進入采樣放大器級，以提高信號驅動能力并隔離后續(xù)的比較器噪聲。隨后，逐次逼近寄存器（SAR）核心開始工作：SAR 邏輯控制數字比較器，依次對電容陣列充放電，比較器輸出結果反饋給 SAR 邏輯以修正內部 DAC 電平。經過 16 次采樣與比較閉環(huán)后，SAR 邏輯生成最終的數字碼。該數字碼通過輸出寄存器暫存，并在時鐘沿觸發(fā)下經 SPI 接口（SDO 引腳）傳輸至外部主控。整個過程具備極低的時鐘抖動敏感度與開關噪聲，以保證高精度轉換。

5. 工作原理及內部架構

ADS8689 采用逐次逼近型（SAR）架構，它在功耗、性能和實現復雜度之間取得了良好平衡。其基本工作流程如下：

1. 采樣保持：在采樣周期開始時，模擬多路復用器根據配置寄存器的通道選擇信號連接對應輸入通道；采樣開關導通，將輸入信號加載到內部采樣電容上，并在后續(xù)比較階段保持該電壓值。

2. 逐次逼近轉換：內部 SAR 邏輯首先將 DAC 電容陣列的最高權重電容充至 VREF/2，并與采樣保持電容電壓進行比較；比較器輸出決定該位的取值。之后 SAR 邏輯根據比較結果更新電容電荷，依次調整下一個權重電容，重復 16 次，直至完成全部位的判決。

3. 數字輸出：SAR 邏輯完成所有位判斷后，將結果寫入輸出寄存器。主控設備在 SPI 時鐘沿下，通過拉低 CS 并驅動 SCLK，從 SDO 引腳按 MSB 到 LSB 順序讀取 16 位轉換結果。

4. 自動校準與校正：ADS8689 內置自校準功能，在上電或用戶設置的轉換周期間隔后，內部將依次進行偏置校準與增益校準。具體來說，器件在內部短接輸入與 VREF，通過內部通道測量與理想值的偏差，自動調整寄存器偏置與倍率系數，以補償電路失配和環(huán)境漂移影響。

5. 數字控制與寄存器接口：除了基本轉換功能外，ADS8689 的 SPI 接口還可用于配置轉換模式、參考源選擇、通道掃描順序、功耗模式切換等。內部寄存器映射清晰，寫讀操作僅需 24 位控制字，通過 SDI 輸入并在同一 SPI 周期內更新設置。

6. 性能參數及規(guī)格

為了精準評估 ADS8689 的性能指標，以下列舉關鍵參數并結合典型值與應用場景進行說明：

• 分辨率與精度

  器件提供 16 位分辨率，對應滿量程 (FSR) 的 65,536 個離散電平。典型無失調誤差（Offset Error）小于 ±1 LSB，無失真誤差（DNL）和無積分非線性誤差（INL）均優(yōu)于 ±1 LSB。該精度水平在精密測量、溫度傳感及低速控制系統(tǒng)中表現卓越，能夠分辨微小信號變化。

• 動態(tài)性能

  在 200 kSPS 采樣速率下，典型總諧波失真（THD）為 -98 dB，總諧波與噪聲比（THD+N）優(yōu)于 98 dB，信噪比（SNR）達到 96 dB。無雜散動態(tài)范圍（SFDR）可達 110 dB，滿足無線通信和頻譜分析系統(tǒng)對動態(tài)范圍的高要求。

• 溫度漂移與工作溫度

  器件溫度系數 (TC) 經優(yōu)化設計，參考源溫漂低于 2 ppm/°C。ADC 精度在 -40°C 至 +125°C 范圍內保持穩(wěn)定，無需外部溫度補償電路，即可應用于工業(yè)級環(huán)境。

• 電源電流與功耗

  在 200 kSPS 模式下，數字電源電流典型值為 3 mA，模擬+參考電源電流約 3 mA，整體功耗典型 7.5 mW。用戶可將器件置于待機模式，關閉采樣電路與參考，功耗降至微安級，適合電池供電場景。

• 輸入范圍與阻抗

  模擬輸入通道支持 ±VREF 范圍，單端模式下輸入電壓范圍為 0 至 VREF，差分模式下為 ±VREF。輸入阻抗約 3 kΩ（典型），并提供輸入放大器以降低源阻抗對精度的影響。

• 時序與吞吐量

  通過可編程分頻器，支持不同的采樣時鐘分辨率設置，使吞吐量與帶寬達到最優(yōu)平衡。最大轉換延遲小于 5 μs，可滿足實時系統(tǒng)對快速響應的需求。

7. 典型應用電路

下面給出三個典型示例，以幫助讀者在不同場景中快速集成 ADS8689：

• 工業(yè)過程控制與數據采集

  在 PLC 或分布式控制系統(tǒng)中，用于采集各種模擬傳感器（溫度、電流、電壓）的信號。典型電路包括傳感器信號經精密運算放大器隔離后連接至 ADS8689 輸入通道，多通道復用器使系統(tǒng)能夠輪流掃描多路現場信號。

• 橋式傳感器測量

  應用于壓力傳感器、稱重傳感器等橋式器件。通過前端差動放大器將微弱差分信號提升至適用于 ADC 的電平，并經過 RC 濾波后輸入，充分利用 ADS8689 的差分輸入和高分辨率優(yōu)勢，實現微伏級別測量。

• 通信基站監(jiān)測與頻譜分析

  在無線通信基站中，用于監(jiān)控射頻功率或環(huán)境噪聲。結合高速采樣與高動態(tài)范圍特性，可將射頻檢測器輸出經過帶通濾波與包絡檢波后輸入 ADS8689，實現實時功率監(jiān)測與告警。

8. 電氣特性曲線

在設計階段，參考電氣特性曲線能夠幫助工程師快速評估器件性能：

• INL 與 DNL 曲線：展示在滿量程范圍內非線性誤差隨輸入電壓變化的曲線，可用于評估系統(tǒng)線性度余量。

• SNR 與 THD+N 隨采樣速率曲線：顯示在不同采樣速率下信噪比與諧波噪聲比的變化趨勢，幫助平衡速度與精度。

• 功耗隨采樣模式變化曲線：包含連續(xù)模式、單次模式與待機模式下的功耗曲線，為低功耗設計提供依據。

• 參考電壓輸出精度隨溫度變化曲線：反映內部參考在全溫度范圍內的輸出穩(wěn)定性，可用于評估系統(tǒng)對溫度漂移的容忍度。

9. 布局與布線建議

在高精度 ADC 設計中，PCB 布局與布線往往是影響系統(tǒng)性能的關鍵因素之一。為了最大限度降低噪聲耦合、串擾和地彈等問題，以下是一些實用的布局與布線建議：

• 模擬與數字地分離
  將模擬地（AGND）與數字地（DGND）分開走線，避免數字開關電流對模擬地的干擾。在芯片附近設置星形接地點，將兩者在電源入口處匯合。

• 電源去耦與濾波
  在 VDD、VREF 及模擬輸入通道旁緊鄰布置去耦電容。建議在 VDD 引腳與地之間并聯一個 0.1 μF 陶瓷電容和一個 10 μF 低漏電電解電容；在 VREF 引腳處添加高精度 1 μF 陶瓷電容，以保證基準源的穩(wěn)定性。

• 輸入信號走線優(yōu)化
  對差分輸入信號使用平衡走線，保持走線寬度和間距一致，避免外部 EMI 干擾。在靠近 ADC 輸入端放置小信號 RC 濾波網絡，以衰減高頻噪聲并防止采樣開關尖峰。

• 數字信號與模擬信號分層走線
  在多層板設計中，將模擬信號層和數字信號層分開，盡量將高速 SPI 時鐘線、片選線和數據線布置在數字層，并在數字層和地層之間留足銅皮。

• 散熱與機械布局
  ADS8689 的功耗雖低，但當多路高速轉換時仍會產生一定熱量。建議在芯片下方留出通孔或銅箔散熱區(qū)，并在 PCB 邊緣預留風道，以增強散熱效果。

10. 封裝信息與機械尺寸

ADS8689 提供緊湊的 TSSOP-28 封裝，封裝表面平整，焊盤易于波峰焊或回流焊工藝。下表列出封裝關鍵尺寸：

• 引腳數：28

• 封裝類型：TSSOP

• 引腳間距：0.65 mm

• 封裝寬度：6.4 mm（最大）

• 封裝長度：9.7 mm（最大）

• 封裝高度：1.2 mm（最大）

另外，推薦焊盤尺寸為 0.4 mm × 1.2 mm，且焊盤間距保持 0.65 mm，以確保良好的焊接可靠性和可重復裝配性能。

11. 環(huán)境及可靠性測試

為滿足工業(yè)級應用要求，ADS8689 在設計和生產過程中需通過一系列環(huán)境與可靠性測試：

• 溫度循環(huán)測試（Thermal Cycling）
  將封裝器件在 -65°C 至 +150°C 溫度范圍內循環(huán)多次，以驗證封裝和內部焊接可靠性。

• 高溫存儲測試（High-Temperature Storage）
  在 150°C 下持續(xù)存儲 1000 小時，評估封裝材料和內部電路的長期穩(wěn)定性。

• 高加速應力測試（HAST）
  在 130°C、85% 相對濕度條件下施加加速應力，檢測器件的密封性和防潮性能。

• 振動與機械沖擊測試
  模擬實際運輸和現場使用中的機械沖擊與振動，以確保器件在各種環(huán)境中的機械強度。

• 壽命可靠性測試（Life Test）
  按照 JEDEC 標準，評估長期連續(xù)工作時的電氣性能漂移，包括偏置、增益和噪聲指標的變化。

12. 常見問題及故障排查

以下列舉一些設計和調試過程中可能遇到的問題及解決方法：

• 問題：讀取數據不穩(wěn)定或噪聲較大
  原因：模擬地與數字地未分離，EMI 干擾。
  解決方法：重新規(guī)劃地線走向，采用星形接地，并在關鍵節(jié)點增加濾波。

• 問題：基準電壓不穩(wěn)定
  原因：VREF 去耦不足或外部參考未與內部參考正確切換。
  解決方法：增大 VREF 附近去耦電容容量，檢查寄存器設置以確認內部/外部參考模式。

• 問題：采樣速率達不到預期
  原因：SPI 時鐘頻率或時序設置有誤。
  解決方法：確認 SCLK 頻率和 SPI 時序參數（CPOL/CPHA）與寄存器配置一致。

• 問題：溫度漂移超出規(guī)格
  原因：環(huán)境溫度補償不足或器件工作超出額定溫度范圍。
  解決方法：在關鍵測量鏈路增加溫度傳感器并進行軟件校正，確保工作溫度在 -40°C 至 +125°C 之間。

13. 外部資源與參考文獻

• 德州儀器官方網站 ADS8689 產品頁面與數據手冊下載鏈接

• JEDEC 標準文檔（JESD22）

• 《模數轉換器設計與應用實用手冊》, TI 應用筆記

• 《高精度 ADC 電路設計指南》, EETimes 雜志專題